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Cytological Research on Microspore Abortion of Dianthus caryophyllus under Low Temperature Environment in Winter

冬季低温条件下香石竹小孢子败育的细胞学研究



全 文 :书西北植物学报!
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收稿日期$
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基金项目$国家自然科学基金"
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#&国家观赏园艺工程技术研究中心"
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#&云南省应用基础研究计划
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#&院创新团队"
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#&云南省中青年学术和技术带头人培养项目
作者简介$周旭红"
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#!女!硕士!副研究员!主要从事花卉遗传育种研究工作
9):;-<
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通信作者$桂
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敏!研究员!主要从事花卉遗传育种研究工作
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冬季低温条件下香石竹小孢子
败育的细胞学研究
周旭红!蒋亚莲!李姝影!苏
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艳!莫锡君!桂
!
敏"
"云南省农业科学院花卉研究所!云南省花卉育种重点实验室!国家观赏园艺工程技术研究中心!昆明
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#

!
要$利用压片法及石蜡切片法观察冬季低温下香石竹小孢子发育过程!以明确低温导致香石竹小孢子败育的
因素!为杂交育种奠定基础结果表明$"
#
#冬季低温下香石竹只有部分小孢子发育正常!经过小孢子母细胞(减数
分裂和四分体等时期!最后发育成花粉"
!
#石蜡切片法观察到冬季低温下香石竹
#+*
"
#+$C:
长花蕾中有
$#D
的花粉母细胞发生败育!
#+&
"
#+0C:
长花蕾中有
&#D
的花粉母细胞发生败育"
%
#部分已经进入四分体时期的
小孢子胼胝质未能及时溶解!妨碍了小孢子释放而导致败育研究认为!花粉母细胞和四分体的发育异常是冬季
低温下香石竹小孢子败育的主要原因
关键词$低温&香石竹&花粉&败育
中图分类号$
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文献标志码$
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香石竹"
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+
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#是云南及
全球主栽的鲜切花之一目前!绝大多数香石竹品
种依赖国外进口!缺乏拥有自主知识产权的新品种
是制约中国花卉产业发展的重要因素!培育占有一
定市场份额的新品种是亟待解决的主要问题
香石竹杂交一般在每年的
(
"
#"
月份进行"北
方的杂交时间更短#!到了冬季气温下降不适合进行
杂交育种当气温在
#"
"
#&_
时!绝大多数香石竹
无雄蕊或雄蕊发育不全!花粉败育)#*傅小鹏等)!*
研究石竹雄性不育系小孢子败育的原因!发现不育
系败育现象在造孢细胞增殖期(小孢子母细胞减数
分裂期以及四分体至单核期都有发生!不育花粉外
形空瘪!不规则!无生活力绒毡层的异常发育是导
致小孢子败育的主要原因而香石竹冬季低温花粉
败育的原因很少有人报道!本研究采用压片法及石
蜡切片观察冬季香石竹小孢子发育过程!探讨小孢
子败育的原因!可为阐明其不育机理提供细胞学资
料!为合理利用种质资源(利用杂交优势进行新品种
选育提供理论依据
#
!
材料和方法
?+?
!

!

供试材料为香石竹品种+
ZR?:Q.;
,!取自云南
省农业科学院花卉研究所宝峰基地
?+@
!

!

?+@+?
!
花粉活力测定
!
采用醋酸洋红染色测定法
分别于
!"#%

%
月(
$
月(
1
月和
#!
月取
%
朵香石
竹花的花药放入干燥皿中过夜干燥!将花药置于载
玻片上!挤压后去除杂质!加
!
"
%

#D
醋酸洋红
溶液!盖上盖玻片!在显微镜下观察统计花粉的活
力及花粉直径!
MZMM#0+"
软件计算均值和标准差
花粉生活力
`
"着色花粉数%观察花粉数#
a
#""D
?+@+@
!
压片法观察小孢子发育
!
!"#%

#!
月选
取生长发育正常的植株!取香石竹不同长度的花蕾!
重复
%
"
(
朵花!长度分别为
"+1
"
#+"
(
#+#
"
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"
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的花蕾!用
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固定液"福尔马林
b
丙酸
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酒精
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#固定!用清水漂洗
%
次!
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%
LF6<
酸解
#":-/
!清水漂洗
%
次!
卡宝品红染色
%":-/
后压片!在光学显微镜下观察
花粉母细胞减数分裂过程统计不同长度的花蕾四
分体时期一分体(二分体(三分体和四分体的个数!
采用
MZMM#0+"
软件作图
?+@+A
!
石蜡切片法观察小孢子发育
!
!"#%

#!
月用
2Z5
固定液固定不同长度的花蕾!重复
%
"
(
朵花将固定的花蕾!用清水洗净
!
次后!滴上苏木
素染液!染色
#!>
将染液洗净!用
&"D
乙醇洗
!
次!每次
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!用
&"D
乙醇浸泡材料
#!>
再经
过逐级脱水!透明!浸蜡及包埋等步骤!最后切片!切
片厚度
0
"
#!
#
:
!
J-c?/90""
显微镜观察和拍摄
统计不同长度的花蕾!小孢子处于不同发育时期的
细胞的百分率!采用
MZMM#0+"
软件作图
!
!
结果与分析
@+?
!
不同季节花粉的活力
由表
#
可以看出!不同季节香石竹+
ZR?:Q.;
,
的花粉活力差异显著!其中在
%
月和
#!
月的花粉活
力"
!!+!%D

!#+$"D
#显著低于
$
月和
1

"
&"+0!D

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#!而且
$
月和
1
月为高温季
节!温度分别为
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&
%
月和
#!

属低温季节!温度分别为
#(+#!_

#(+(0_

明温度可能是影响香石竹花粉活力的因素之一
@+@
!
压片法观察冬季香石竹小孢子发育过程
冬季香石竹+
ZR?:Q.;
,花蕾长
"+1
"
#+!C:
时!小孢子发育处于花粉母细胞时期!小孢子母细胞
的细胞质浓厚(液泡小(细胞核大"图版
$
!
5
(
Y
#&随
之小孢子母细胞之间形成胼胝质壁!逐渐增大!进入
减数分裂时期"花蕾长
#+%
"
#+(C:
&图版
$
!
6
#&当
花蕾
#+*
"
#+$C:
时!小孢子减数分裂形成的四分
体由胼胝质包围"图版
$
!
d
#!并出现异常的二分体
"图版
$
!
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#和三分体"图版
$
!
2
#!有部分仍处于减

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不同季节香石竹+
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,花粉活力
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数分裂阶段"图版
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长花蕾!部分
小孢子处于四分体时期"图版
$
!
F
#&花蕾发育到
#+1
"
!+"C:
时!少数发育为单核期小孢子!但仍有
部分小孢子处于四分体时期!"图版
$
!
I
"
H
#&当花
蕾长
!+#
"
!+$C:
时!小孢子发育为成熟的花粉"图

$
!
W
"
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#
由图
#
可以看出!
%
月"春季#!香石竹+
ZR?:Q)
.;
,四分体时期出现在
#+%
"
#+0C:
长的花蕾中!花
蕾长
#+%
"
#+$C:
时!以四分体居多!其它分体只占
少量的比例&花蕾长
#+&
"
#+0C:
时!四分体和二分
体所占比例较大到
$
月"夏季#!香石竹+
ZR?:Q)
.;
,四分体时期出现在
#+%
"
#+$C:
长的花蕾中!且
主要是四分体细胞
1
月"秋季#
+*
"
#+$C:
长的
花蕾为小孢子四分体时期!绝大部分是四分体细胞
到了
#!
月"冬季#!
#+*
"
!+"C:
长的花蕾观察到四
分体!
#+*
"
#+$C:
长的花蕾绝大部分是四分体细
胞!
#+&
"
!+"C:
长的花蕾四分体和其它分体都占
有一定的比例由此可见!高温季节"
$
月和
1
月#!
花蕾长
#+&C:
时!四分体时期已结束&而低温季节
"
%
月和
#!
月#!在花蕾长
#+&
"
#+0C:

#+&
"
!+"
C:
时还有部分花粉母细胞处于四分体时期!可能的
原因是低温引起四分体时期胼胝质不能及时解体!
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月&
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月&
6+1
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#
!
不同季节不同长度香石竹花蕾中分体的百分比
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小孢子未能释放出来
@+A
!
石蜡切片法观察冬季香石竹小孢子发育过程
冬季香石竹+
ZR?:Q.;
,花蕾长
"+1
"
#+!C:

处于花粉母细胞时期!细胞核大且细胞质浓!此时花
药壁由外向内分化为表皮(药室内壁(中层和绒毡
层!绒毡层细胞排列整齐具一至多核!细胞质浓厚
"图版
%
!
5
(
Y
#&
#+%
"
#+(C:
长花蕾
1(D
的小孢子
处于花粉母细胞"图版
%
!
6
#和
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的小孢子进行减
数分裂"图版
%
!
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&图
!
#&
#+*
"
#+$C:
长花蕾中!
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小孢子处于花粉母细胞时期"图版
%
!
9
#!
$#D
花粉母细胞发生败育"图版
%
!
2
#!
#%D
小孢子仍处
于减数分裂时期"图版
%
!
K
#!只有
(D
小孢子母细
胞完成正常的减数分裂!分裂完成时在
(
个核间产
生细胞壁!并分隔成由胼胝质所包围的
(
个细胞!
形成正四面体形的小孢子四分体!
(
个小孢子处于
共同的胼胝质中"图版
%
!
F
&图
!
#&
#+&
"
#+0C:

花蕾中
&#D
花粉母细胞发生败育"图版
%
!
I
#!
1D
处于四分体时期"图版
%
!
H
&图
!
#&
$!D

#+1
"
!+"
C:
长花蕾形成花粉!随着胼胝质壁溶解!四分体分
开形成单核小孢子!并在原小孢子初生壁的基础上
形成真正的外壁起初形成的单核小孢子细胞质
浓!核大并居中!它们聚集在药室的中央!绒毡层开
始降解"图版
%
!
W
#!另有
%0D
小孢子还处于四分体
阶段!胼胝质壁并未溶解"图版
%
!
L
#&
!+#
"
!+$C:
长!小孢子细胞质中小孢子壁的增厚!残余的绒毡层

!
!
冬季不同大小香石竹花蕾中不同时期
减数分裂细胞的比例
2-
B
+!
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周旭红!等$冬季低温条件下香石竹小孢子败育的细胞学研究
细胞则逐渐脱离花药壁!作为营养被发育中的小孢
子所吸收!花粉粒逐渐发育成熟"图版
%
!
O
"
G
#
由图
!
可见!
"+1
"
#+(C:
长花蕾中!绝大多数减数
分裂细胞处于花粉母细胞时期!
#+*
"
#+0C:
长花
蕾中!花粉母细胞时期开始败育!少数花粉母细胞进
入四分体时期!
#+1
"
!+$C:
长花蕾中!四分体开始
解体!形成单核小孢子!并逐渐发育成熟冬季低温
可能影响减数分裂时期花粉母细胞的发育
%
!

!

雄性不育材料类型不同!花粉败育的时期和原
因也不尽相同辣椒不育系
05
败育时期发生在四
分体时期!进入四分体时期!绒毡层细胞径向异常膨
大高度液泡化并入侵药室!挤压形成不规则的四分
体!皱缩凹陷!有的小孢子四分体还出现粘连现象!
不能产生正常小孢子)%*甘蓝型油菜不育系
#"*5
的花药败育是由于一部分花药发育受阻于造孢细胞
时期!另一部分花药发育受阻于单核晚期)(*张文
超等)**发现!胼胝质的异常合成与分布是毛白杨花
粉败育的原因之一石竹花粉败育现象在造孢细胞
增殖至小孢子母细胞进行减数分裂以及释放小孢子
形成的各个阶段都有发生)!*
本研究发现冬季香石竹品种+
ZR?:Q.;
,花粉活
力低!石蜡切片观察到
#+*
"
#+$C:
长花蕾中!
$#D
花粉母细胞发生败育!
#+&
"
#+0C:
长花蕾中有
&#D
花粉母细胞发生败育!小孢子花粉母细胞的败
育集中在
#+*
"
#+0C:
长花蕾中!花粉母细胞发生
败育是冬季香石竹品种+
ZR?:Q.;
,花粉败育的主要
原因此外!
%
月和
#!
月四分体时期分别出现在长

#+%
"
#+0C:

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"
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的花蕾!而
$
月和
1
月四分体时期分别出现在长为
#+%
"
#+$C:

#+*
"
#+$C:
的花蕾中由此可见!高温季节四分体时
期时间较短!而低温季节四分体时期时间较长!四分
体时期胼胝质未能及时解体!从而导致小孢子不能
释放出来综上!低温可能导致花粉母细胞发生败
育以及胼胝质不能及时溶解!进而致使小孢子的败
育!这还需更进一步证实
参考文献!
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傅小鹏!胡金义!胡惠蓉!等
+
石竹雄性不育系小孢子形成过程
的细胞学观察)
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中国农业科学!
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王兰兰!王晓林!魏兵强!等
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辣椒雄性不育系及保持系小孢子
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西北农业学报!
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王开芳!张咏梅!张金文!等
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甘蓝型油菜细胞质雄性不育系
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花药败育的细胞学观察)
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中国农学通报!
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毛白杨花粉败育过程中胼胝质的
异常分布变化)
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东北林业大学学报!
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周旭红!等$冬季低温条件下香石竹小孢子败育的细胞学研究
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冬季香石竹不同长度花蕾小孢子的发育特征"石蜡切片法#
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